CN109358285B - 一种永磁无刷直流电机负载不平衡检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁无刷直流电机负载不平衡检测方法，主要根据采集永磁无刷直流电机的转速信号和相电压信号，通过两次模糊控制器的处理，把历史采集值和目标速度信号进行整合，建立其相对应的模糊决策表，实现负载不平衡量的智能判断和决策。本发明消除了干扰信号的畸点数据和无极调速的变动数据，消除了负载不平衡量的错误检测；不需要传统的大电流检测器件，提高了系统的安全性，是一种低成本、检测简单、容易实现和能够精确检测永磁无刷直流电机动态负载不平衡量的方法。

Description

一种永磁无刷直流电机负载不平衡检测方法

技术领域

本发明涉及电机控制的领域，具体涉及一种永磁无刷直流电机负载不平衡检测方法。

背景技术

随着电力电机技术的成熟及电机控制技术的发展，高效节能型产品在工业驱动行业及家用电器行业的应用越来越广泛，传统的三相交流异步电机、单相交流电容电机、罩极电机和有刷直流电机等难以满足现代产品对低功耗绿色能源、高效率、无极调速、小体积和长寿命等方面的要求，永磁无刷直流电机和永磁同步电机的发展呈现明显增加趋势，尤其在白色家电中，如洗衣机、冰箱和空调等。而永磁无刷直流电机驱动负载如果出现负载动态不平衡，将增加系统的振荡和噪音，其转速越高，振荡和噪音越大。动态负载不平衡尤其在洗衣机中体现明显，运转时衣物的偏心和旋转水体的偏心呈现非常大的负载不平衡，为了有效削弱永磁无刷直流电机的动态负载不平衡量(OOB),通过获得某种信息量进行处理后对负载的运行状态进行有效的控制(通过转速控制和动作控制)，减小系统的振动和噪音，让动态负载不平衡重新找到平衡位置，比如：洗衣机在衣物偏心积聚运动时，其重心偏移将可能导致洗衣机晃动甚至在地板上滑动，也达不到洗涤的效果，同时也会影响电机的寿命和传动机构的寿命等，通过获取动态负载不平衡量(OOB)的信息，对电机负载进行转速和动作控制，让衣物重新均匀分布在滚筒的四周，使电机的负载检测到的动态负载不平衡量(OOB)小于一定限制后，在启动高速脱水运行。

对于动态负载不平衡量的检测方法通常有三种：1).基于电机转速的不平衡量检测方法；2).基于电机功率及电流的不平衡量检测方法；3).基于变频器PI控制器输出信号的不平衡量检测方法。基于电机转速的不平衡量检测方法由于控制器的内部PI调节参数与系统的复杂振荡很难匹配，难以稳定系统的输出，其检测结果误差太大容易导致控制失效或达不到预期控制效果；基于电机功率及电流的不平衡量检测方法需要专门的硬件检测电路，其检测器件受到大电流的影响和负载的冲击，其检测精度下降，出现漂移，影响了检测和控制系统的稳定性，当然，也消耗一定的功耗，增加了控制系统内部的器件温升，对产品的寿命也有一定的影响；基于变频器PI控制器输出信号的不平衡量检测方法是一种非常好的低成本检测方法，但其驱动控制方式只限于变频器驱动，而无法实现对永磁无刷直流电机的动态负载不平衡量(OOB)检测。因此，研究一种检测简单、容易实现和能够精确检测永磁无刷直流电机动态负载不平衡量的方法是急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种永磁无刷直流电机负载不平衡检测方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种永磁无刷直流电机负载不平衡检测方法，主要包括以下步骤：

1)：读取动态目标速度Sa，第一次执行时依据上位机控制器设定的目标速度设定值Saset，后续执行依据上位机控制器修正后的目标速度San作为目标速度Sa，以其实现动态目标的功能，该目标速度也就是负载运动状态修正的外环控制目标值；

2)：控制器判断速度采集时间是否已经到，如果未到，进入第14)步，如果已经到，继续执行下一步；

3)：采集永磁无刷直流电机负载转速Sf，该速度信号反馈给上位机控制器，上位机控制器由此获得负载转速状态值；

4)：速度动态误差计算，上位机控制器检测在一定设定的采样周期和采样点数的约束范围内，通过动态误差的历史值判定，智能地确定其速度目标修正量，速度动态误差计算公式为：

5)：采样约束条件的智能设定，把采样周期与每个周期内的采样点数相乘积M作为一个总的新目标转速设定的总约束条件，在M内划分为X个采集段，每个段内具有N个采集数据点，在每一个段内通过第4)步的计算获取动态误差值S_e，在M约束周期内共有X个动态误差值数据论域集合{S_e1，S_e2，........S_ex-1，S_ex}，对于M的约束需要满足永磁无刷直流电机旋转周期的整数倍；

6)：模糊控制算法获取速度动态误差值S_e，其是通过建立模糊控制器成员函数，通过IF-THEN形式的模糊决策表，根据专家决策经验数据，智能地决策出一个负载的动态误差值S_e；

7)：建立新的动态目标速度，其计算如下：

8)：上位机控制器给出动态目标速度对应的速度PWM信号Vsp，上位机通过控制运算后，给电机驱动控制器给出一个1kHz的PWM信号，以该信号作为速度控制的目标信号；

9)：采集电机驱动控制器输出的相电压量，该电压也就是永磁无刷直流电机的相电压，它是将动态目标速度的Vsp信号，通过PI运算得到一个控制电压，并且在一个相同的M周期内保存其Vsp历史值；

10)：计算相电压V_pi的平均值：

在M周期内将会采集到X个

值；

11)：获得电压波动值，并建立X个Vsp的论域集合数据和相对应的X个电压波动平均值，电压波动平均值的计算如下：

12)：动态不平衡量(OOB)的计算值模糊决策，通过X个Vsp的论域集合数据和X个电压波动平均值

共同建立模具决策表，采用IF-THEN形式模糊决策确定出OOB的计算值，该值作为负载的动态不平衡量检测的计算值；

13)：采样次数加1；

14)：判断采样次数是否达到M,如果达到，进入下一步，如果没有达到，进入第2)步；

15)：根据模糊控制器决策出来的OOB计算值，进行负载不平衡量(OOB)的计算；

16)：采样次数变量减1，保证下一次采样又可以重新计算负载不平衡量(OOB)；

17)：退出。

本发明的有益效果为：本发明根据采集永磁无刷直流电机的转速信号和相电压信号，通过两次模糊控制器的处理，把历史采集值和目标速度信号进行整合，建立其相对应的模糊决策表，实现负载不平衡量的智能判断和决策，消除了干扰信号的畸点数据和无极调速的变动数据，消除了负载不平衡量的错误检测；不需要传统的大电流检测器件，提高了系统的安全性，是一种低成本、检测简单、容易实现和能够精确检测永磁无刷直流电机动态负载不平衡量的方法。

附图说明

图1为永磁无刷直流电机负载不平衡量检测结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例：如附图所示，这种永磁无刷直流电机负载不平衡检测方法，主要包括以下步骤：

1)：读取动态目标速度Sa，第一次执行时依据上位机控制器设定的目标速度设定值Saset，后续执行依据上位机控制器修正后的目标速度San作为目标速度Sa，以其实现动态目标的功能，该目标速度也就是负载运动状态修正的外环控制目标值；

2)：上位机控制器判断速度采集时间是否已经到，如果未到，进入第14)步，如果已经到，继续执行下一步；

3)：采集永磁无刷直流电机负载转速Sf，该速度信号反馈给上位机控制器，上位机控制器由此获得负载转速状态值；

4)：速度动态误差计算，上位机控制器检测在一定设定的采样周期和采样点数的约束范围内，通过动态误差的历史值判定，智能地确定其速度目标修正量，速度动态误差计算公式为：

5)：采样约束条件的智能设定，把采样周期与每个周期内的采样点数相乘积M作为一个总的新目标转速设定的总约束条件，在M内划分为X个采集段，每个段内具有N个采集数据点，在每一个段内通过第4)步的计算获取动态误差值S_e，在M约束周期内共有X个动态误差值数据论域集合{S_e1，S_e2，........S_ex-1，S_ex}，对于M的约束需要满足永磁无刷直流电机旋转周期的整数倍；

6)：模糊控制算法获取速度动态误差值S_e，该方法是通过建立模糊控制器成员函数，通过IF-THEN形式的模糊决策表，根据专家决策经验数据，智能地决策出一个负载的动态误差值S_e；

7)：建立新的动态目标速度，其计算如下：

8)：上位机控制器给出动态目标速度对应的速度PWM信号Vsp，上位机通过控制运算后，给电机驱动控制器给出一个1kHz的PWM信号，以该信号作为速度控制的目标信号；

9)：采集电机驱动控制器输出的相电压量，该电压也就是永磁无刷直流电机的相电压，它是将动态目标速度的Vsp信号，通过PI运算得到一个控制电压。并且在一个相同的M周期内保存其Vsp历史值；

10)：计算相电压V_pi的平均值

在M周期内将会采集到X个

值；

11)：获得电压波动值，该电压的波动值不能作为动态不平衡量(OOB)的计算值，因为该电压波动可能存在控制器的瞬态电磁干扰量或无极调速阶段的变化量，需要通过算法进行判断哪一个值才能作为动态不平衡量(OOB)的计算值。

所以建立了X个Vsp的论域集合数据和相对应的X个电压波动平均值，电压波动平均值的计算如下：

12)：动态不平衡量(OOB)的计算值模糊决策，通过X个Vsp的论域集合数据和X个电压波动平均值

共同建立模具决策表，采用IF-THEN形式模糊决策确定出OOB的计算值，该值作为负载的动态不平衡量检测的计算值；

13)：采样次数加1；

14)：判断采样次数是否达到M,如果达到，进入下一步，如果没有达到，进入第2)步；

15)：根据模糊控制器决策出来的OOB计算值，进行负载不平衡量(OOB)的计算；

16)：采样次数变量减1，保证下一次采样又可以重新计算负载不平衡量(OOB)；

17)：退出。

本发明整体通过检测负载动态不平衡引起的相电压波动幅度，进行信号处理，计算出永磁无刷直流电机负载的不平衡量(OOB)，并针对该负载进行期望运动状态的控制。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种永磁无刷直流电机负载不平衡检测方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

1)：读取动态目标速度Sa，第一次执行时依据上位机控制器设定的目标速度设定值Saset，后续执行依据上位机控制器修正后的目标速度San作为目标速度Sa，以其实现动态目标的功能，该目标速度也就是负载运动状态修正的外环控制目标值；

2)：上位机控制器判断速度采集时间是否已经到，如果未到，进入第14)步，如果已经到，继续执行下一步；

3)：采集永磁无刷直流电机负载转速Sf，该速度信号反馈给上位机控制器，上位机控制器由此获得负载转速状态值；

4)：速度动态误差计算，上位机控制器检测在一定设定的采样周期和采样点数的约束范围内，通过动态误差的历史值判定，确定其速度目标修正量，速度动态误差计算公式为：

5)：采样约束条件的智能设定，把采样周期与每个周期内的采样点数相乘积M作为一个总的新目标转速设定的总约束条件，在M内划分为X个采集段，每个段内具有N个采集数据点，在每一个段内通过第4)步的计算获取动态误差值S_e，在M约束周期内共有X个动态误差值数据论域集合{S_e1，S_e2，........S_ex-1，S_ex}，对于M的约束需要满足永磁无刷直流电机旋转周期的整数倍；

6)：模糊控制算法获取速度动态误差值S_e，其是通过建立模糊控制器成员函数，通过IF-THEN形式的模糊决策表，根据专家决策经验数据，智能地决策出一个负载的动态误差值S_e；

7)：建立新的动态目标速度，其计算如下：

8)：上位机控制器给出动态目标速度对应的速度PWM信号Vsp，上位机控制器通过控制运算后，给电机驱动控制器给出一个1kHz的PWM信号，以该信号作为速度控制的目标信号；

9)：采集电机驱动控制器输出的相电压量，该电压也就是永磁无刷直流电机的相电压，它是将动态目标速度的Vsp信号，通过PI运算得到一个控制电压，并且在一个相同的M周期内保存其Vsp历史值；

10)：计算相电压V_pi的平均值：

在M周期内将会采集到X个

值；

11)：获得电压波动值，并建立X个Vsp的论域集合数据和相对应的X个电压波动平均值，电压波动平均值的计算如下：

12)：动态不平衡量OOB的计算值模糊决策，通过X个Vsp的论域集合数据和X个电压波动平均值

共同建立模具决策表，采用IF-THEN形式模糊决策确定出OOB的计算值，该值作为负载的动态不平衡量检测的计算值；

13)：采样次数加1；

14)：判断采样次数是否达到M,如果达到，进入下一步，如果没有达到，进入第2)步；

15)：根据模糊控制器决策出来的OOB计算值，进行负载不平衡量OOB的计算；

16)：采样次数变量减1，保证下一次采样又可以重新计算负载不平衡量OOB；

17)：退出。

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